(57)【要約】【課題】速度の推定に必要な演算量を軽減することが可能な同期モータ制御装置を提供すること。【解決手段】同期モータへの印加電圧指令値Ｖ＊α、Ｖ＊β及び電流検出値ｉα、ｉβに基づいて、第１の推定磁極位置θｅｓ１を演算する。そして、偏差演算部１１、補償器１２及び積分器１３からなるループにおいて、第１の推定磁極位置θｅｓ１と第２の推定磁極位置θｅｓ２との偏差に所定のゲインを乗じて、速度推定値ωｅｓを求めるとともに、この速度推定値ωｅｓを積分した結果を第２の推定磁極位置θｅｓ２とする。この結果、第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差をゼロとするための回転子の速度が、速度推定値ωｅｓとして算出できる。従って、速度推定値ωｅｓを求めるための演算量を大幅に低減することができる。【選択図】      図１
2007082380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令値と速度推定値との偏差に基づいて、同期モータへ出力する駆動信号を制御する同期モータ制御装置において、
前記同期モータの固定子巻線に流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
前記同期モータへの印加電圧の指令値及び前記モータ電流の検出値に基づいて、第１の回転子磁極位置を推定演算する第１の推定演算手段と、
下記速度推定値算出手段によって算出されるモータ磁極の速度推定値を積分して第２の回転子磁極位置を推定演算する第２の推定演算手段と、
前記第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差に基づいて、当該偏差をゼロとするための回転子の速度を、前記速度推定値として算出する速度推定値算出手段とを備えることを特徴とする同期モータ制御装置。
【請求項２】
前記速度推定値算出手段は、前記第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差に所定のゲインを乗じることによって前記速度推定値を算出することを特徴とする請求項１に記載の同期モータ制御装置。
【請求項３】
前記第１の推定演算手段は、α−β座標系における、以下の数式１によって示される誘起電圧モデルによって誘起電圧を演算し、この演算された誘起電圧から前記第１の回転子磁極位置を推定演算することを特徴とする請求項１に記載の同期モータ制御装置。
【数１】
2007082380.tif 000010
【請求項４】
前記第１の推定演算手段は、α−β座標系における、以下の数式２によって示される、モータ電流の波高値の時間微分をゼロと仮定した近似誘起電圧モデルによって誘起電圧を演算し、この演算された誘起電圧から前記第１の回転子磁極位置を推定演算することを特徴とする請求項１に記載の同期モータ制御装置。
【数２】
2007082380.tif 000011
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を回転子とする同期モータを制御する同期モータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、永久磁石を回転子とする同期モータ（ＳＰＭＳＭ，ＩＰＭＳＭ）を運転する場合、回転子の位置（磁極位置）に同期して固定子巻線への通電位相を制御するので、原則として、回転子の位置を検出する位置検出器が必要である。この位置検出器としては、ホール素子、エンコーダ、レゾルバなどを用いることができる。ところが、このような位置検出器を用いた場合、モータの小型化を図ることが困難になるとともに、モータを制御する制御装置との接続配線を行う必要が生じる。
【０００３】
このため、近年では、回転子の磁極位置を検出する位置検出器を用いずに、モータの制御に必要な回転子の磁極位置や速度を求めるセンサレス制御装置が種々、提案されている。例えば、非特許文献１では、同期モータのモデルとして、以下の数式３に示す拡張誘起電圧モデルを用いる。
【０００４】
【数３】
2007082380.tif 000003
上記の数式１において、右辺第２項が拡張誘起電圧として定義される。この拡張誘起電圧モデルは、永久磁石による誘起電圧に加え、リラクタンストルクを生じるインダクタンスの差を新たに磁束成分として扱うものである。このような拡張誘起電圧モデルを用いると、磁極位置の推定演算を容易にするメリットがある。なお、ＳＰＭＳＭの場合、Ｌｄ＝Ｌｑとなり、拡張誘起電圧は、永久磁石の誘起電圧項のみによって決まる。そして、上記数式１に示されるモデルに対して、拡張誘起電圧を外乱とみなした外乱オブザーバを構成することにより、拡張誘起電圧を求めることができる。
【０００５】
また、回転子の速度ωｅｓは、拡張誘起電圧に関する同期モータのモデルから、速度の適応同定を行うことによって推定する。この速度の適応同定は、以下の数式４によって示される。
【０００６】
【数４】
2007082380.tif 000004
【非特許文献１】「外乱オブザーバと速度適応同定による円筒型ブラシレスＤＣモータの位置・速度センサレス制御」９８年電気学会産業応用部門誌Vol.118−D7／8、page828-835
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、適応同定によって回転子の速度を推定する場合、数式４に示したような複雑な演算を行う必要があるため、演算量が膨大となる問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、速度の推定に必要な演算量を軽減することが可能な同期モータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の同期モータ制御装置は、速度指令値と速度推定値との偏差に基づいて、同期モータへ出力する駆動信号を制御するものであって、
同期モータの固定子巻線に流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
同期モータへの印加電圧の指令値及びモータ電流の検出値に基づいて、第１の回転子磁極位置を推定演算する第１の推定演算手段と、
下記の速度推定値算出手段によって算出されるモータ磁極の速度推定値を積分して第２の回転子磁極位置を推定演算する第２の推定演算手段と、
第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差に基づいて、当該偏差をゼロとするための回転子の速度を、速度推定値として算出する速度推定値算出手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
上述した構成によれば、速度推定値として、単に、第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差をゼロとするための回転子の速度を求めるだけで良い。従って、従来に比較して、速度推定値を求めるための演算量を大幅に低減することができる。
【００１１】
なお、第２の回転子磁極位置は、速度推定値を積分することによって求めているため、第１の回転子磁極位置とは、積分演算を行う周期分だけ時間的に異なる（遅れた）位置を示すことになる。換言すれば、第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差は、上述した積分演算処理周期が経過する間の回転子磁極位置の変化量に相当する。従って、第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差をゼロとするように、速度推定値を算出することにより、正確な回転子の速度を求めることができる。
【００１２】
請求項２に記載したように、速度推定値算出手段は、第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差に所定のゲインを乗じることによって速度推定値を算出するように構成することができる。速度推定値は、第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差の大小に応じて、増減される関係を有するためである。
【００１３】
なお、第１の第１の推定演算手段は、請求項３に記載したように、α−β座標系における、前記の数式１によって示される誘起電圧モデルによって誘起電圧を演算し、この演算された誘起電圧から前記第１の回転子磁極位置を推定演算するようにしても良いし、請求項４に記載したように、α−β座標系における、前記の数式２によって示される、モータ電流の波高値の時間微分をゼロと仮定した近似誘起電圧モデルによって誘起電圧を演算し、この演算された誘起電圧から第１の回転子磁極位置を推定演算するようにしても良い。
【００１４】
請求項３に記載の構成によれば、詳細なモータモデルを基に誘起電圧を演算するため、その誘起電圧から演算される磁極位置について、速度応答性や負荷変動応答性を良好に保つことができる。ただし、この場合、モータモデルには微分項が含まれるので、演算量が増加する。この点につき、請求項４に記載の構成を採用すれば、微分項を省略した近似モデルにより誘起電圧を演算できるので、第１の回転子磁極位置を求めるための演算量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。図１は、本実施形態による同期モータ８の制御装置の全体の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態における同期モータ８は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の固定子巻線、及び永久磁石からなる回転子を有する。
【００１６】
図１において、制御器２は、偏差演算部１から速度指令ω＊と速度推定値ωｅｓとの偏差及び後述するαβ／ｄｑ変換部１４からｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸電流値ｉｑが入力され、それらの入力値に基づいて、速度推定値ωｅｓが速度指令ω＊に近づくように、ｄ軸電圧指令値Ｖ＊ｄ、ｑ軸電圧指令値Ｖ＊ｑを算出して出力する。制御器２が出力したｄ軸電圧指令値Ｖ＊ｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖ＊ｑは、ｄｑ／αβ座標変換部３に出力される。ここで、公知のように、ｄｑ座標は、例えば、回転子のＳ極からＮ極に向かう方向をｄ軸とし、そのｄ軸に垂直なｑ軸によって定義される回転座標であり、αβ座標は、回転子の回転軸を原点として、相互に直交するα軸及びβ軸によって定義される静止座標である。
【００１７】
このｄｑ回転座標からαβ静止座標への座標変換は、後述する積分器１３から出力される回転子の第２の推定磁極位置θｅｓ２基づいて実行される。回転子の磁極位置が推定できれば、ｄｑ回転座標とαβ静止座標との相対的な位相関係が特定できるため、座標変換を行うことができる。この座標変換によって、ｄｑ／αβ座標変換部３からは、α軸電圧指令値Ｖ＊α及びβ軸電圧指令値Ｖ＊βが出力される。
【００１８】
ｄｑ／αβ座標変換部３からのα軸電圧指令値Ｖ＊α及びβ軸電圧指令値Ｖ＊βは、２相−３相変換部であるαβ／ｕｖｗ変換部４及び磁極位置推定器１０に与えられる。αβ／ｕｖｗ変換部４は、αβ静止座標におけるα軸電圧指令値Ｖ＊α及びβ軸電圧指令値Ｖ＊βから、３相同期モータ８の各固定子巻線（Ｕ相、Ｖ相、W相）に出力すべきＵ相電圧指令値Ｖ＊ｕ、Ｖ相電圧指令値Ｖ＊ｖ、W相電圧指令値Ｖ＊wを生成する。
【００１９】
ＰＷＭ信号発生部５は、Ｕ相電圧指令値Ｖ＊ｕ、Ｖ相電圧指令値Ｖ＊ｖ、W相電圧指令値Ｖ＊wに基づいて、電力変換器６におけるインバータの、各固定子巻線に対応するスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号を発生する。このＰＷＭ信号によって、インバータを構成する各スイッチング素子を駆動することにより、Ｕ相電圧指令値Ｖ＊ｕ、Ｖ相電圧指令値Ｖ＊ｖ及びW相電圧指令値Ｖ＊wに相当する電圧を各固定子巻線に印加することができる。
【００２０】
電流センサ７は、各固定子巻線に流れる電流を検出する。電流センサ７によって検出された各固定子巻線の電流検出値は、ｕｖｗ／αβ変換部９に入力され、αβ座標におけるα軸電流ｉαとβ軸電流ｉβに変換される。なお、電流センサ７は、３相すべての固定子巻線の電流を検出する必要はなく、２相の電流を検出して、残りの１相の電流は、その２相の電流から推定しても良い。
【００２１】
磁極位置推定器１０は、ｄｑ／αβ座標変換部３から入力されるα軸及びβ軸の電圧指令値Ｖ＊α、Ｖ＊β及びｕｖｗ／αβ変換部９から入力されるα軸及びβ軸の電流検出値ｉα、ｉβに基づいて、回転子の磁極位置を推定するものである。この磁極位置推定器１０として、例えば「拡張誘起電圧外乱オブザーバを用いたＩＰＭＳＭの位置・速度センサレス制御」市川、陳、富田、道木、大熊、平成１２年電気学会産業応用部門大会講演論文集に記載された外乱オブザーバを適用できる。ここで、この外乱オブザーバについて簡単に説明する。
【００２２】
同期モータの拡張誘起電圧モデルは、上述した数式３のように示される。この数式３において、拡張誘起電圧を外乱とみなした外乱オブザーバを構成することにより拡張誘起電圧を求めることが可能である。この場合、拡張誘起電圧ｅα、ｅβは、以下の数式５によって表される。
【００２３】
【数５】
2007082380.tif 000005
上記の数式５によって得られた拡張誘起電圧ｅα、ｅβに対して、以下の数式６に示すように逆正接演算を行うことにより、回転子の第１の推定磁極位置θｅｓ１を求めることができる。
【００２４】
【数６】
2007082380.tif 000006
上述した例では、詳細なモータモデルを基に誘起電圧を演算するため、その誘起電圧から演算される磁極位置について、速度応答性や負荷変動応答性を良好に保つことができる。ただし、この場合、モータモデルには微分項が含まれるので、演算量が増加する。この点を考慮し、微分項を省略した近似モデルにより誘起電圧を演算するようにしても良い。これにより、第１の回転子磁極位置を求めるための演算量を低減することができる。微分項を省略する場合、電流の波高値Ｉａは一定であり、その時間微分はゼロであるとみなす。この仮定により、例えばα軸電流ｉαの微分項は以下の数式７のように近似できる。
【００２５】
【数７】
2007082380.tif 000007
同様にして、β軸電流ｉβの微分項の近似も行うことにより、上記した数式５は、以下の数式８のように簡略化できる。
【００２６】
【数８】
2007082380.tif 000008
上述したようにして、磁極位置推定器１０において、拡張誘起電圧ｅα、ｅβ及び回転子の第１の推定磁極位置θｅｓ１が算出される。この算出された第１の推定磁極位置θｅｓ１は、偏差演算部１１に与えられる。この偏差演算部１１は、磁極位置推定器１０から出力された第１の推定磁極位置θｅｓ１と後述する積分器１３から出力される第２の推定磁極位置θｅｓ２との偏差を算出して出力するものである。この第１の推定磁極位置θｅｓ１と第２の推定磁極位置θｅｓ２との偏差は、補償器１２に出力される。
【００２７】
補償器１２は、入力された偏差に、所定のゲインを乗じて速度推定値ωｅｓを算出するように構成されている。例えば、補償器１１は、以下の数式９に示すように、偏差に所定のＰＩゲイン（Ｋｐ，Ｋｉ）を乗じることによって、速度推定値ωｅｓを算出する。
【００２８】
【数９】
2007082380.tif 000009
このようにして算出された速度推定値ωｅｓは、上述した偏差演算部１に出力されるとともに、積分器１３に出力される。積分器１３は、速度推定値ωｅｓを積分することによって、回転子の第２の推定磁極位置θｅｓ２を算出して、ｄｑ／αβ座標変換部３、偏差演算部１１、及びαβ／ｄｑ座標変換部１４へ出力する。
【００２９】
αβ／ｄｑ座標変換部１４は、積分器１３から与えられる第２の推定磁極位置θｅｓ２に基づいて、ｕｖｗ／αβ変換部９から入力されるα軸及びβ軸の電流検出値ｉα、ｉβを、ｄ軸及びｑ軸電流値ｉｄ、ｉｑに変換して、制御器２に出力する。
【００３０】
ここで、本実施形態では、上述した偏差演算部１１、補償器１２及び積分器１３からなるループにおいて、速度推定値ωｅｓを積分することによって第２の推定磁極位置θｅｓ２を求めている。このため、第２の推定磁極位置θｅｓ２は、第１の推定磁極位置θｅｓ１に対して、積分演算を行う周期分だけ時間的に異なる（遅れた）位置を示すことになる。換言すれば、第１の推定磁極位置θｅｓ１と第２の推定磁極位置θｅｓ２との偏差は、上述した積分演算の処理周期が経過する間の回転子の磁極位置の変化量に相当する。従って、積分演算の処理周期の間に、第１の回転子磁極位置と第２の回転子磁極位置との偏差をゼロとする速度推定値を求めれば、正確な回転子の速度を求めることができる。
【００３１】
上述したように、速度推定値ωｅｓを求めるための演算は、偏差演算部１１、補償器１２及び積分器１３からなるループにおいて実行される。このループにおける、第１の推定磁極位置θｅｓ１と第２の推定磁極位置θｅｓ２との偏差をゼロとするための回転子の速度を求めるための演算は、従来のような速度の適応同定を行うための演算に比較して簡便であるため、速度推定値ωｅｓを求めるための演算量を大幅に低減することができる。
【００３２】
なお、速度推定値ωｅｓは、第１の推定磁極位置θｅｓ１と第２の推定磁極位置θｅｓ２との偏差の大小に応じて、増減される関係を有する。このため、その偏差に、補償器１２において所定のゲインを乗じることにより、速度推定値ωｅｓとすることができる。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態になんら制限されることなく、種々変形して実施することができる。
【００３４】
例えば、上述した実施形態では、第１の推定磁極位置θｅｓ１と第２の推定磁極位置θｅｓ２との偏差をゼロとするための回転子の速度を、速度推定値ωｅｓとして求めた。しかしながら、第１の推定磁極位置θｅｓ１と第２の推定磁極位置θｅｓ２との偏差に所定のゲインを乗じた結果を、推定速度誤差Δωｅｓと定義し、推定速度誤差Δωｅｓと速度指令値ω＊とを加算した結果を速度推定値ωｅｓとしても良い。
【００３５】
また、上述した実施形態では、ｄｑ座標系からαβ座標系への座標変換を行ったが、αβ座標系への座標変換を行うことなく、ｄｑ座標系における電圧指令値及び電流検出値を用いて、第１の推定磁極位置ｅｓ１を求めるようにしても良い。逆に、速度指令値ω＊と速度推定値ωｅｓとの偏差から、ｄｑ座標系における電圧指令値ではなく、αβ座標系における電圧指令値を直接算出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態による同期モータの制御装置の全体の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
２…制御器
３…ｄｑ／αβ座標変換部
４…αβ／ｕｖｗ変換部
５…ＰＷＭ信号発生部
６…電力変換器
７…電流センサ
８…同期モータ
９…ｕｖｗ／αβ変換部
１０…磁極位置推定器
１１…偏差演算部
１２…補償器
１３…積分器
【図１】
2007082380.tif 000012